48301

Общая физика, теоретические основы

Контрольная

Физика

Системы координат. С этой целью вводится система координат. Система координат позволяет определить положение тела в пространстве. Но нужна еще совокупность тела отсчета связанных с ним координат и синхронизирующих часов – это система отсчета.

Русский

2015-01-15

359.5 KB

1 чел.

Физика – наука, изучающая наиболее общие закономерности явлений природы, свойства, строение материи и законы ее движения.

Слово «физика» происходит от греческого слова physics – природа.

Физика экспериментальная наука: ее законы базируются на фактах, установленных опытным путем. Законы физики представляют собой количественные отношения и формулируются на математическом языке.

Различают экспериментальную физику и теоретическую физику.

При изучении любого явления опыт и теория в равной мере необходимы и взаимосвязаны.

Современная физика содержит небольшое число фундаментальных физических теорий, охватывающих все разделы физики. Эти теории являются знаниями о характере физических процессов и явлений, наиболее полно отображающих формы движения материи.

Курс общей физики состоит из:

Механика;

Молекулярная физика;

Электричество и магнетизм;

Оптика;

Атомная и ядерная физика.

Движение материи имеет различные формы: механическую, электромагнитную, тепловую и т. д. Законы механического движения изучаются в первом разделе – в механике. Изучение остальных разделов невозможно без знания механики, т.к. перемещения имеют место почти при всех физических процессах.

Механику обычно делят на три части: кинематику, статику и динамику.

В кинематике рассматривается движение тел вне связи с причинами, которые вызывают это движение.

В статике изучаются законы равновесия системы тел.

В динамике – законы движения тел и причины, которые вызывают или изменяют это движение.

Мир, окружающий нас – материален. Он состоит из вечно существующей, находящейся  в постоянном движении материи.

Материя – это все, что существует во вселенной от элементарных частиц, до электромагнитных волн.

Частицы материи перемещаются относительно друг друга со скоростями, которые принято подразделять на медленные (нерелятивистские) и быстрые (релятивистские, т.е. порядка с=300000 км/с). В этом смысле скорость искусственного спутника Земли медленная (8 км/с). При скоростях, близких к с заметное влияние оказывают релятивистские эффекты.

В природе существуют качественно различные связи в системах:

Ядро " протоны, нейтроны,…

Атом " ядро, электроны.

Молекулы " атомы.

Солнечная система " планеты.

Принято различать 4 вида взаимодействия:

Сильное взаимодействие » 1;

Электромагнитное взаимодействие (связи в атомах и молекулах) » 10-3;

Слабое взаимодействие (распад элементарных частиц) » 10-14;

Гравитационное » 10-40;

Земля:

3,5 млрд. лет (3,5×109 лет) – возраст;

3-3,5 млн. лет (3,5×106 лет) – жизнь;

40 тыс. лет (4×104 лет) – Homo Sapiens.

The Earth ~ сутки   

Life  ~ 1 минута

Homo Sapiens ~ 1 секунда

1687 г. – Ньютон: «Математические начала натуральной философии». Законы ньютоновской механики.

1831 г. – Фарадей открыл явление электромагнитной индукции (электромагнитные поля).

1873 г. – Максвелл: «Трактат об электричестве и магнетизме».

1895 г. – Попов изобрел радио.

1900 г. – Макс Планк открыл квант.

1905 г. – Эйнштейн: «Специальная теория относительности».

1928 г. – Дирак открыл спин.

1931 г. – Был открыт позитрон.

1939-1945 гг. – в США была создана атомная бомба.

1960 г. – Был создан лазер.

Системы координат. Системы отсчета

Все механические процессы происходят в пространстве и времени. Это находит отражение в любом механическом законе.

Положение тела в пространстве может быть определено только по отношению к другим телам. Тело отсчета – тело (система неподвижных тел), которое служит для определения положения интересующего нас тела.

Кроме тела отсчета нужна система, которая обеспечивала бы «адреса» других тел. С этой целью вводится система координат. Система координат позволяет определить положение тела в пространстве. Но нужна еще совокупность тела отсчета, связанных с ним координат и синхронизирующих часов – это система отсчета.

Заметим, что удачный выбор системы координат существенно облегчает решение задачи. Рассмотрим основные типы систем координат:

1. Прямоугольная Декартова:

А) Двухмерная;

Б) Трехмерная;

2. Цилиндрическая система координат:

Задание: Найти координаты точки (1,1,1) в цилиндрической системе координат.

3. Сферическая система координат:

Задание: Найти координаты точки (1,1,1) в сферической системе координат.

Формулы, связывающие координаты точки в одной системе отсчета с координатами в другой системе, называют формулами преобразования координат.

Скалярные, векторные величины. Действия над ними. Вычисление компонент вектора. Орты.

Для удобства координаты точки в любой системе координат будем обозначать одной буквой:

Вектор – направленный отрезок прямой, у которого один конец называется началом, а другой конец – концом. Модуль, направление, точка приложения, нулевой вектор.

Два вектора равны, если они имеют одинаковые модули и направление.

Противоположным вектору  называют вектор .

Действия над векторами:

Сумма векторов:

Правило треугольника ;

Правило прямоугольника;

Если при действии над векторами результат не изменяется при перестановке векторов, то говорят, что вектора обладают свойством коммутативности относительно этого действия.

Разность векторов или ;

Умножение вектора на число ;

Скалярное произведение векторов:

Скалярным произведение векторов называют произведение модулей этих векторов на косинус угла между ними. Т.е. результат скалярного произведения – скаляр.

.

Обладает свойством коммутативности.

Пример: .

Векторное произведение:

В результате векторного произведения получается вектор, модуль которого равен произведению модулей перемножающихся векторов на синус угла между ними. Результирующий вектор направлен перпендикулярно плоскости перемножаемых векторов и направлен в сторону движения правого винта, если вращать его от первого вектора ко второму по кратчайшему пути.

Модуль вектора C равен площади параллелограмма, построенного на A и B.

Компоненты векторных величин.

Орты:

Скалярное и векторное произведение орт:

Скалярные произведения одноименных орт равны 1, разноименных – 0.

Векторное произведение одноименных орт равно 0. Модуль векторного произведения разноименных орт равен 1.

Действия над векторами в координатной форме.

Сумма векторов:

Компонент суммы двух векторов – сумма компонент слагаемых.

Скалярное произведение:

Векторное произведение:

Радиус вектор – вектор, проведенный из начала координат в данную точку.

Перемещение и скорость в векторной и координатной формах.

Траектория – линия, вдоль которой движется тело.

Путь – расстояние вдоль траектории.

Перемещение – кратчайшее расстояние.

Вектором мгновенной скорости называют вектор, равный производной радиус-вектора по времени (направлен по касательной).

При прямолинейном движении .

Абсолютное значение скорости (модуль):

В общем случае при прямолинейном движении

Если , то через параметры траектории:

Ускорение в векторной и координатной формах.

вектор среднего ускорения (скорость изменения скорости)

1.

Вращательное движение:

Изменение линейной скорости по направлению (меняется только направление).

Вектор ускорения – вторая производная вектора перемещения по времени.

Кинематика вращательной точки. Угловая скорость.

n – число оборотов.

Если w=const, то w - круговая  (циклическая) частота.

Т – период (время одного оборота).

- линейная частота.

Модуль  равен углу поворота и направлен по оси вращения так, что направление поворота отвечает правилу винта.

- угловое ускорение.

При равноускоренном движении вектор  направлен в ту же сторону что и .

При равнозамедленном – в обратную.

Вектора r, v и a называют естественными или полярными векторами.

Вектора  - аксиальными.

Аксиальные вектора введены для объяснения физических процессов при вращательном движении. Они, так же как и полярные вектора подчиняются правилу сложения векторов.

Связь между линейными и угловыми величинами.

, r – радиус-вектор.

По определению векторного произведения .

an=aц – изменение скорости по направлению за единицу времени.

at – изменение скорости по модулю за единицу времени. При равномерном движении at=0.

Преобразование координат и компонент векторов.

Формулы, связывающие координаты точки в одной системе координат с координатами в другой называются преобразование координат.

(1)

Для определения компоненты x умножим скалярно (1) на i:

Тогда (2) запишем для случая ax=0 (поворот):

Пример: Преобразование координат для двухмерного случая.

Значение скалярной величины определяется одним числом.

Значение вектора определяется тремя числами, которые называют компоненты вектора.

Более общее определение вектора:

Вектор – это упорядоченная совокупность трех чисел, зависящих от системы координат и преобразующихся при повороте системы отсчета так же, как преобразуются компоненты вектора.

При параллельном переносе компоненты вектора не изменяются:

Вектор тот же, но системы разные.

означает в координатной форме равенство компонент.

Величины, значения которых не изменяются при преобразованиях, называются инвариантами.

Вращение вокруг неподвижной оси.

Для точки mi имеем:

Рассмотрим момент импульса относительно оси 0. Общий момент импульса равен:

- двойное векторное произведение.

или

Запишем проекцию Nx:

Аналогично преобразуем Nz .

Введем инерциальные коэффициенты или моменты инерции:

Имеем:

,       ,      .

Здесь обозначения аналогичные.

Совокупность величин   образует тензор инерции.

Тензор симметричный, т.е.  и т.д. Таким образом тензор инерции определяется 6 числами.

Главные оси тензора инерции.

Симметричный тензор можно представить наглядно в виде эллипсоида, в данном случае эллипсоида инерции.

Тензор (второго ранга) – упорядоченная система 9 чисел, которые связывают два вектора.

Вектор (тензор первого ранга)   – упорядоченная система трех чисел, которые преобразуются при изменении системы координат.

Скаляр (тензор нулевого ранга)– число, не изменяющееся при изменении системы координат.


X

M (x, y, z)

x1

Z

Y

y1

z1

M (x, y)

x1

y1

Y

X

(r, j, z)

z

r

j

x

y

a

Q

rx=x

ry=y

t

v

t1

t2

Dti

1

2

R

Dj

O

x1

x2

l1

l2

x¢1

l¢1

l¢2

x¢2

0

mi

ri

z

y

x

x1

y1

z1

M (r, , )

r